綜觀人類歷史，從石器、銅器、鐵器時代一路演進至今日智慧與綠能時代，新材料的發展史就是人類文明的發展歷程，然而傳統材料科學家與化學家往往憑藉自己的經驗與知識，以大量實驗試誤的方式探索新材料，試誤法不但曠日費時、所費不貲，且攤開元素週期表，人類已經了解的材料主成分比例、微量添加比例、結構與製程條件實際上只是冰山一角，所幸在材料科學理論與超級電腦的快速發展下，以電腦計算進行虛擬實驗來設計新材料與新製程已不是天方夜譚，以美國為首的世界各先進國家，也以將掌握「材料基因(Materials Genome)」作為國家經濟、國防與工業技術發展的關鍵。本文介紹林士剛教授團隊的核心知識：計算材料科學中的計算熱力學，分別透過第一原理(ab initio)計算與計算相圖(CALPHAD)方法在能源材料與結構材料等重要工程材料開發上的應用，包含(1)鋰離子電池負極材料的摻雜元素設計與(2)快削鋼微結構設計與製程最適化，呈現出以計算材料方法加速、加深對新材料開發與新製程優化的精準度。在高效能電腦、人工智慧與未來量子電腦的推波助瀾下，計算輔助新材料設計勢必持續在未來世界中扮演精準新材料開發的關鍵角色，以提升效率與永續發展的新材料邁向人類歷史的新頁。

　　煉金術在傳奇故事中總帶有一些神秘色彩，往往神來一筆的微量元素添加就創造了應能優越的材料，成為新武器改變了戰爭的結果，或新的工業應用牽動了工業技術版圖。傳統材料開發仰賴大量試誤過程，曠日費時且所費不貲，所幸在材料科學理論與超級電腦的快速發展下，以電腦計算進行虛擬實驗來設計新材料與新製程已不是天方夜譚，實現『電腦煉金術』。以下以(1)鋰離子電池負極材料的摻雜元素設計(Acta Mat., 2019)與(2)快削鋼微結構設計與製程最適化(J. Alloy Compd., 2019)，介紹以第一原理(ab initio)計算與相圖計算(CALPHAD)等計算熱力學方法，在能源材料與結構材料開發上的應用。

(1) 鋰離子電池負極材料的摻雜元素設計

　　鈦酸鋰缺陷尖晶石(Li₄Ti₅O₁₂, LTO)為一種鋰電池負極材料，具有長循環壽命與高安全性，但需要適當摻雜元素來提升本質導電性，藉由結合第一原理計算系統地分析納(Na)、鉀(K)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋁(Al)與鎵(Ga)等元素摻雜對LTO相穩定性、導電性與電化學動力學的影響，如圖一所示，Mg可取代四面體位置(8a)的Li離子，穩定地摻雜到LTO中，提供電子還原鄰近Ti離子，提升電子躍遷所需的Ti³⁺/Ti⁴⁺對濃度，因此當摻雜濃度超過臨界值(x ~ 0.05)時，LTO的導電性由約10^-8 S/cm躍昇到約10^-2 S/cm，導電性的提升伴隨倍率性能的提升，在10C高速充電(6分鐘充飽電池)下電容量提升33%以上。

圖一：鎂(Mg)摻雜濃度對鈦酸鋰缺陷尖晶石(Li₄Ti₅O₁₂, LTO)鋰電池負極材料之相穩定性、電荷分布、導電性與倍率性能的影響(Acta Mat., 2019) 

(2) 快削鋼微結構設計與製程最適化 

　　工業中對加工效率的需求不斷增長，快削鋼中的硫化錳(MnS)介在物因為應力集中的作用，降低了鋼的剪切強度，從而降低了切削阻力。由於MnS的形態決定了鋼的可加工性，因此需要良好控制其形態。利用CALPHAD相圖計算系統評估了氫(H)、硼(B)、碳(C)、氮(N)、氧(O)、鋁(Al)、矽(Si)、磷(P)、氬(Ar)、釩(V)、鉻(Cr)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、砷(As)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、錫(Sn)、鉭(Ta)、鎢(W)等合金元素對MnS凝固反應與微結構的影響，如下圖二所示，發現O是超強的偏晶(monotectic)反應穩定劑，可衍生有助切削的圓形MnS。通過熱力學計算和高溫實驗並用的研究方法，優化MnS介在物的形態、尺寸和均勻性，做為快削鋼製造過程中對MnS介在物形貌控制的指引。

圖二、不同合金元素對快削鋼中MnS生成反應(共晶型或偏晶型)的促進程度與氧超高效穩定偏晶型MnS的1600°C高溫實驗結果(J. Alloy Compd., 2019)

　　本文藉鋰電池中鈦酸鋰負極材料的摻雜元素設計，與快削鋼中硫化錳微結構控制技術兩個例子，分別呈現第一原理與相圖計算兩種計算熱力學輔助材料的開發法，同時也分別呈現材料改質設計與製程設計兩個面向，凸顯以計算材料方法加速、加深對新材料開發與新製程優化的精準度。在高效能電腦、人工智慧與未來量子電腦的推波助瀾下，計算輔助新材料設計勢必持續在未來世界中扮演精準新材料開發的關鍵角色，以提升效率並與永續發展的新材料邁向人類歷史的新頁。